在用工業(yè)鍋爐的失效分析—垢下腐蝕機(jī)理及實(shí)例分析

河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院劉夕鋒

在用工業(yè)鍋爐的失效分析—垢下腐蝕機(jī)理及實(shí)例分析

河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院劉夕鋒

垢下腐蝕作為在用鍋爐常見(jiàn)的失效形式之一，了解其機(jī)理對(duì)我們的生產(chǎn)生活有著重要意義。本文中，筆者介紹了工業(yè)鍋爐垢下腐蝕機(jī)理，并根據(jù)這個(gè)原理對(duì)實(shí)際檢驗(yàn)案例進(jìn)行了分析。

一、垢下腐蝕機(jī)理

當(dāng)鍋爐蒸發(fā)受熱面附著沉積物時(shí)，金屬管壁溫度升高，使?jié)B透在沉積物下面的鍋水急劇蒸發(fā)濃縮，導(dǎo)致各種雜質(zhì)濃度升高所造成的腐蝕。產(chǎn)生垢下腐蝕有以下幾種情況。

1.垢內(nèi)的氧化物與金屬壁之間的電化學(xué)腐蝕。

（1）當(dāng)受熱面金屬表面的沉淀物中含有氧化鐵和氧化銅等雜質(zhì)時(shí)，這些氧化物電位高，成為陰極，而金屬壁電位低，為陽(yáng)極。陽(yáng)極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵及氧化銅生成新的高價(jià)氧化鐵。鍋爐常見(jiàn)氧化鐵垢因?yàn)榉恋K傳熱，由于結(jié)構(gòu)過(guò)熱使垢下金屬保護(hù)膜破壞，成了腐蝕電池的陽(yáng)極。垢下金屬因過(guò)熱而發(fā)生汽水腐蝕。

（2）氧化鐵垢的腐蝕形態(tài)有兩種。局部性貝殼狀。垢下腐蝕一般是在向火側(cè)管內(nèi)形成黑色隆起的腐蝕疙瘩，呈貝殼狀，質(zhì)地堅(jiān)硬，有清晰的層狀，其中也夾雜一些白色物質(zhì)。有時(shí)在很長(zhǎng)的管段內(nèi)只有很少幾處貝殼狀的腐蝕，也有貝殼連接成片的腐蝕。貝殼狀產(chǎn)物與金屬之間一般有一層白色或粉狀的磁性氧化鐵。去掉腐蝕產(chǎn)物后，金屬面呈現(xiàn)出皿狀或槽狀的腐蝕凹坑，其面積有的小到幾平方毫米，有的大到幾十甚至上百平方毫米。

較大面積的結(jié)垢腐蝕。結(jié)垢和腐蝕的面積均較大，有時(shí)甚至布滿(mǎn)幾百毫米的管段內(nèi)。垢一般呈黑褐色魚(yú)鱗狀，垢下金屬大部分遭到腐蝕，呈現(xiàn)凹凸不平的麻坑，有時(shí)在局部處也有嚴(yán)重的深坑或穿孔，這種垢也較硬，在垢下有時(shí)也有一層白色的鹽質(zhì)或粉狀磁性氧化鐵。

（3）鍋內(nèi)氧化鐵的主要來(lái)源。氧化鐵垢容易在熱負(fù)荷高的部位形成。隨給水帶入；新?tīng)t在放置和安裝期間保護(hù)不當(dāng)，投入運(yùn)行之前沒(méi)有進(jìn)行認(rèn)真清洗而遺留下來(lái)。鍋爐停用期間，沒(méi)有采取有效的保護(hù)措施而生成的腐蝕產(chǎn)物，包括鍋爐內(nèi)壁潮濕表面的腐蝕以及產(chǎn)生氧濃差造成的腐蝕。

（4）防止氧化鐵垢的形成辦法。防止給水系統(tǒng)的氧腐蝕和酸腐蝕，盡力減少腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入鍋爐。對(duì)進(jìn)入鍋爐的腐蝕產(chǎn)物，采取適當(dāng)?shù)腻亙?nèi)水處理措施，減緩氧化鐵垢的形成。及時(shí)徹底的消除已經(jīng)形成的氧化鐵垢。

2.堿性腐蝕。鍋爐受熱面有沉積物時(shí)，由于沉積物傳熱差沉積物下部的金屬壁溫升高，使沉積物和金屬表面之間的鍋水濃縮，又由于這些爐水不易與沉積物外部的爐水混勻，當(dāng)鍋水中含有游離的氫氧化鈉，沉積物下的爐水pH值升高到大于13時(shí)，金屬壁的氧化保護(hù)膜被氫氧化鈉溶解，使電化學(xué)腐蝕加劇。結(jié)果在金屬表面產(chǎn)生凹凸不平的腐蝕坑，坑上有疏松的腐蝕物，腐蝕發(fā)生到一定程度，出現(xiàn)滲漏，有的管子發(fā)生爆管。進(jìn)行分析時(shí)，從金屬表面去除沉積物，可以看到的腐蝕坑上有白色沉積物。這種沉淀是碳酸鈉，它是氫氧化鈉與空氣中二氧化碳接觸后的生成物。此外，在鍋筒和集箱的死角常常有大量積聚的磁性氧化物。這是沉積物下部的磁性保護(hù)膜被氫氧化鈉溶解后生成的苛性－鐵素體復(fù)合物。鍋爐內(nèi)部死角處的沉積物下部常因鍋水濃縮而使堿度升高，在此處產(chǎn)生局部堿性腐蝕。

3.酸性腐蝕。有的鍋水中含有氯化鎂（MgCL2）和氯化鈣（CaCL2）。例如，鈉離子軟水裝置的管道腐蝕泄漏，正洗水流入軟水池;有的利用海水作為再生劑，水處理化驗(yàn)工不慎將閥門(mén)打開(kāi)，使海水加入鍋爐等，都會(huì)使?fàn)t水含有大量的MgCL2和CaCL2。結(jié)果，鍋水中pH值下降，對(duì)鋼材產(chǎn)生酸腐蝕，并且使氫離子積聚。如果受熱表面有堅(jiān)硬、致密的水垢存在，氫不能擴(kuò)散到汽水混合物中，氫滲入鋼材和碳鋼中的碳化鐵（滲碳體）發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果造成碳鋼脫碳腐蝕。

二、檢驗(yàn)案例

某公司2003年8月投產(chǎn)2臺(tái)德國(guó)造進(jìn)口鍋爐，鍋爐形式為臥式內(nèi)燃室，煙管為三回程。額定壓力1.6MPa，額定出口穩(wěn)定194℃。燃料為重油。水處理方式為鍋外水處理并鍋內(nèi)加藥。除氧方式為海綿鐵除氧。

2008年3～4月，我單位分別對(duì)兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行了細(xì)致的檢查，發(fā)現(xiàn)了以下設(shè)備運(yùn)行情況：2007年7月以前為兩臺(tái)鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)，后引入公用蒸汽，每天低負(fù)荷運(yùn)行約3小時(shí)左右，每天供氣流量約3噸左右，設(shè)備夜間常壓冷爐；該設(shè)備采用的是全自動(dòng)控制鈉離子交換軟水設(shè)備，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)司爐人員反應(yīng)，該設(shè)備2007年之前有再生用正洗水泄漏情況；2007年以后除氧設(shè)備沒(méi)有使用；該設(shè)備給水過(guò)濾設(shè)備沒(méi)有使用，給水通過(guò)旁通直接進(jìn)入系統(tǒng)；司爐人員以通過(guò)控制鍋水中“溶解固形物”濃度的方式控制排污情況，排污率低。

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)以下情況：鍋殼內(nèi)有全面鐵銹覆蓋層；煙管、爐膽、鍋殼水側(cè)水位線以下許多位置有塊狀垢渣附著，為黑色隆起的貝殼狀腐蝕疙瘩，如圖1所示。

腐蝕產(chǎn)物與金屬壁之間松軟粉末狀氧化鐵，經(jīng)檢驗(yàn)錘敲磨后，發(fā)現(xiàn)金屬壁已經(jīng)脫碳形成較深腐蝕坑，如圖2所示。

綜合以上特征，確定該設(shè)備產(chǎn)生了典型的垢下腐蝕，經(jīng)綜合分析，得出腐蝕原因是：設(shè)備給水過(guò)濾設(shè)備沒(méi)有使用，供水不潔凈，有懸浮物進(jìn)入鍋爐，使鍋爐金屬表面產(chǎn)生沉淀物。除氧器未使用，給水中有溶解氧存在，在使用過(guò)程中氧氣經(jīng)析出聚集在氣相空間，等壓力下降，溶解氧重新溶入爐水，使鍋殼水側(cè)產(chǎn)生氧腐蝕。鈉離子軟水裝置鹽水泄漏，造成鍋內(nèi)酸性腐蝕。鍋爐排污率低，同時(shí)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，加速了沉淀物的形成。具體過(guò)程分析如下。

1.供水不潔凈，鍋爐排污率低以及鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，造成了鍋內(nèi)局部沉淀物形成。

2.因氧腐蝕的產(chǎn)生，金屬表面覆蓋氧化鐵，并夾雜于沉淀物中。這些氧化物電位高，成為陰極，而金屬壁電位低，為陽(yáng)極。陽(yáng)極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵生成新的高價(jià)氧化鐵：

3.由于沉積物傳熱差，沉積物下部的金屬壁溫升高，使沉積物和金屬表面之間的鍋水濃縮，垢下金屬因過(guò)熱而發(fā)生汽水腐蝕：

4.鈉離子軟水裝置鹽水泄漏，使?fàn)t水含有大量的MgCL2和CaCL2，此時(shí)沉積物下部發(fā)生以下反應(yīng)：

結(jié)果，鍋水中PH值下降，對(duì)鋼材產(chǎn)生酸腐蝕，并且使氫離子積聚。

因受熱表面堅(jiān)硬、致密的鐵垢存在，氫不能擴(kuò)散到汽水混合物中，氫滲入鋼材和碳鋼中的碳化鐵（滲碳體）發(fā)生反應(yīng)：Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4。結(jié)果造成碳鋼脫碳。

總之，要防止垢下腐蝕，關(guān)鍵在于避免鍋爐金屬表面產(chǎn)生沉淀物，避免產(chǎn)生鐵的腐蝕產(chǎn)物，要進(jìn)行水質(zhì)處理和合理的排污；新鍋爐投入運(yùn)行前，必須進(jìn)行化學(xué)煮爐，鍋爐運(yùn)行后要定期清洗，除去金屬表面上的腐蝕產(chǎn)物；消除或減少鍋水中的游離氫氧化鈉；防止水處理裝置混水，滲入苦咸水或海水